DE102020104117A1

DE102020104117A1 - Vorrichtung zum Entfernen eines Gases aus einer wässrigen Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102020104117A1
Application number: DE102020104117.9A
Authority: DE
Inventors: Albert Omlor; Philipp Lepper
Original assignee: Universitaet des Saarlandes
Current assignee: Universitaet des Saarlandes
Priority date: 2020-02-18
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2021-08-19
Also published as: CA3167907A1; EP4106908A1; WO2021165277A1; JP2023514314A; CN115397546A; US20230083534A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Entfernen eines Gases aus einer wässrigen Flüssigkeit bereitgestellt, insbesondere einer Blutflüssigkeit, aufweisend ein erstes Kompartiment, welches im Betrieb der Vorrichtung von der wässrigen Flüssigkeit durchströmt wird; ein zweites Kompartiment, welches im Betrieb der Vorrichtung von einem Spülgas durchströmt wird, wobei das erste Kompartiment und das zweite Kompartiment durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind; und ein drittes Kompartiment, welches im Betrieb der Vorrichtung von einem flüssigen Protonendonator durchströmt wird, wobei das erste Kompartiment und das dritte Kompartiment durch eine für Ionen permeable Membran voneinander getrennt sind. Ferner wird eine Zusammensetzung enthaltend einen flüssigen Protonendonator sowie deren Verwendung bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entfernen eines Gases aus einer wässrigen Flüssigkeit, bevorzugt einer Blutflüssigkeit. Ferner betrifft die Erfindung eine Zusammensetzung enthaltend einen flüssigen Protonendonator sowie eine Verwendung der Zusammensetzung zur Behandlung von Hyperkapnie.
Als Hyperkapnie bezeichnet man einen erhöhten Gehalt an Kohlendioxid im Blut. Das Vorhandensein von Kohlendioxid im Blut ist normal, da es ein Abfallprodukt des Zellstoffwechsels ist. Aus den Zellen wird das Kohlendioxid über den Blutkreislauf in die Luge transportiert und dort abgeatmet. Wird die Lunge unzureichend belüftet, beispielsweise bei Vorliegen einer Lungenkrankheit oder bei Lungenversagen, reichert sich das Kohlendioxid im Blut an. Dadurch kommt es zu einer atembedingten Ansäuerung des Blutes, wobei es zum Tode kommen kann, wenn sein pH-Wert unter 7,0 sinkt.
In einer solchen Situation muss das Kohlendioxid so schnell wie möglich aus dem Blut entfernt werden. Da der betroffene Patient das nicht aus eigener Kraft leisten kann, wird hierfür üblicherweise die extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO) verwendet, bei der das Blut über eine Membran mit einem Spülgas (sweeping gas) interagiert. Über die Membran im Oxygenator wird Kohlendioxid dem Blut entzogen und zugleich mit Sauerstoff angereichert. Bei der Membranoxygenieurng werden für die Blutentnahme und die Wiederzuführung großlumige Gefäße verwendet (z.B. Vena femoralis oder Vena jugularis interna). Daher zirkuliert während der Durchführung des Verfahrens eine nicht zu vernachlässige Menge an Blut in der ECMO-Maschine, die dem Patienten entnommen worden ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Entfernung von Kohlendioxid aus einer wässrigen Flüssigkeit zu verbessern, im Falle von einer Blutflüssigkeit insbesondere dahingehend, dass die Entfernung von Kohlendioxid über einen relativ kleinen Zugang beim Patienten durchgeführt werden kann und zugleich effizienter abläuft, so dass dem Patienten weniger Blut abgenommen werden muss und der Vorgang in kürzer(er) Zeit einen ausreichend großen Anteil des im Blut enthaltenen Kohlendioxids entfernen kann.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Entfernen eines Gases aus einer wässrigen Flüssigkeit bereitgestellt, welche aufweist: ein erstes Kompartiment, welches im Betrieb der Vorrichtung von der wässrigen Flüssigkeit durchströmt wird, ein zweites Kompartiment, welches im Betrieb der Vorrichtung von einem Spülgas durchströmt wird, wobei das erste Kompartiment und das zweite Kompartiment durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind, und ein drittes Kompartiment, welches im Betrieb der Vorrichtung von einem flüssigen Protonendonator durchströmt wird, wobei das erste Kompartiment und das dritte Kompartiment durch eine für Ionen permeable Membran voneinander getrennt sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum zumindest teilweisen Entfernen eines Gases, aus einer wässrigen Flüssigkeit, insbesondere zum zumindest teilweisen Entfernen von Kohlendioxid aus Blut. Jedes der Kompartimente ist Teil eines individuellen Kreislaufes und wird im Betrieb durch eine entsprechende Substanz durchströmt. In jedem der Kreisläufe kann eine Pumpe bereitgestellt sein, welche zur Ausbildung einer entsprechenden Strömung dient. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so ausgebildet, dass während des Betriebes die Substanz im ersten Kompartiment mit der Substanz im zweiten Kompartiment durch die semipermeable Membran interagiert bzw. wechselwirkt und die Substanz im ersten Kompartiment zugleich mit der Substanz im dritten Kompartiment durch die für Ionen permeable Membran interagiert bzw. wechselwirkt. Die Substanzen, welche durch das zweite und dritte Kompartiment strömen, treten hingegen nicht in Wechselwirkung miteinander. Diese Eigenschaft wird erreicht, indem das zweite Kompartiment und das dritte Kompartiment räumlich so voneinander getrennt sind, dass die Substanz im zweiten Kompartiment keinen direkten Kontakt zur die für Ionen permeable Membran des dritten Kompartiments hat und umgekehrt die Substanz im dritten Kompartiment keinen direkten Kontakt zur semipermeablen Membran des zweiten Kompartiments hat. Unter einer Wechselwirkung ist hierbei ein stofflicher Austausch zwischen zwei Substanzen durch eine Trennschicht gemeint, etwa eine Membran. Durch geeignete Wechselwirkung der Substanz im ersten Kompartiment mit der Substanz im zweiten Kompartiment und mit der Substanz im dritten Kompartiment wird das Gas aus der Substanz im ersten Kompartiment, also aus der wässrigen Flüssigkeit, zumindest teilweise entfernt. Die geeignete bzw. gewünschte Wechselwirkung kann durch Bereitstellen von Konzentrationsgradienten zwischen dem ersten und zweiten Kompartiment und zwischen dem ersten und dritten Kompartiment eingestellt werden bezüglich eines zu entfernenden Gases sowie der beteiligten Ionen erreicht werden. Bei dem flüssigen Protonendonator kann es sich um eine organische oder anorganische Säure handeln, beispielsweise Salzsäure (HCl). Bevorzugt ist der flüssige Protonendonator nicht toxisch. Ferner kann auch eine Pufferlösung verwendet werden, welche gleich viele Ionen (z.B. Wasserstoff-Kationen) aufweist, aber einen im Vergleich zur Salzsäure gemäßigteren pH-Wert aufweist (beispielsweise 6,9).
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Vorrichtung kann die wässrige Flüssigkeit eine Blutflüssigkeit sein, vorzugsweise Blut. Insbesondere kann dann mittels der Vorrichtung Kohlenstoffdioxid aus Blut zumindest teilweise entfernt werden. In diesem Zusammenhang kann es sich bei dem Spülgas um reinen Sauerstoff handeln, wie bei ECMO-Anwendungen üblich. Im Falle von Blut als wässrige Flüssigkeit kann die Vorrichtung als eine erweiterte ECMO-Maschine betrachtet werden, bei welcher im Membran-Oxygenator, in dem Kohlendioxid aus dem Blut entfernt und mit Sauerstoff angereichert wird, zusätzlich das dritte Kompartiment vorgesehen ist, welches von dem flüssigen Protonendonator durchströmt wird.
Durch die Wechselwirkung zwischen der Blutflüssigkeit und dem Spülgas durch die semipermeable Membran geht das physikalisch im Blut gelöste Kohlenstoffdioxid in das Spülgas über und wird so aus der Blutflüssigkeit entfernt. Unter dem physikalisch gelösten (physikalisch gebundenen) Kohlendioxid wird Kohlendioxid verstanden, welches als Gas in der Blutflüssigkeit gelöst ist. Gleichzeitig erfolgt eine Anreicherung des Blutes mit Sauerstoff aus dem Spülgas. Dieser Prozess entspricht der herkömmlichen Oxygenierung des Blutes durch eine ECMO- oder ECCO2R-Membran (ECCO2R: extracorporal CO₂ removal, extrakorporales Entfernen von CO₂). Durch die Wechselwirkung zwischen der Blutflüssigkeit und dem flüssigen Protonendonator durch die für Ionen permeable Membran reagiert in der Blutflüssigkeit chemisch gelöstes Kohlenstoffdioxid mit Wasserstoff-Ionen (H⁺), welche durch die Membran hindurch aus dem flüssigen Protonendonator in die Blutflüssigkeit diffundieren. Unter dem chemisch gelösten (chemisch gebundenen) Kohlendioxid wird Kohlendioxid verstanden, welches in Bicarbonat-Verbindungen „gefangen“ ist, etwa in Kaliumhydrogencarbonat, Natriumhydrogencarbonat oder Magnesiumbicarbonat. Hierbei findet ein Protonenaustausch zwischen dem flüssigen Protonendonator, beispielsweise Salzsäure (HCl) und den in der Blutflüssigkeit enthaltenen Bicarbonat-Verbindungen statt, wodurch es zur Bildung von Kohlensäure (H₂CO₃) kommt. Diese ist jedoch sehr instabil und zerfällt in Wasser (H₂O) und Kohlenstoffdioxid (CO₂). Dieses Kohlenstoffdioxid ist nun aus seiner ursprünglichen Bicarbonat-Verbindung gelöst und steht zum Abtransport über das Spülgas zur Verfügung. Der Protonenaustausch, bei dem ein Kation aus der Blutflüssigkeit auf die Seite des flüssigen Protonendonators übergeht im Austausch für das von diesem bereitgestellte Wasserstoff-Kation (H⁺), sorgt dafür, dass sich innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwischen den Substanzen kein elektrisches Potenzial aufbaut und damit die Substanzen und die Vorrichtung elektrisch neutral bleiben.
Der flüssige Protonendonator kann beispielsweise Kalium und/oder Kalzium und/oder Magnesium enthalten, damit ein Konzentrationsgradient zur Blutflüssigkeit bezüglich dieser Stoffe vermieden werden kann, durch welchen diese physiologisch wichtigen Mineralstoffe aus der Blutflüssigkeit herausgelöst werden würden. Anders ausgedrückt wird ein Ausgleich des elektrochemischen Potenzials hinsichtlich bestimmter Stoffe (etwa Kalium und Kalzium) zwischen dem flüssigen Protonendonator und der Blutflüssigkeit angestrebt, damit diese nicht aus der Blutflüssigkeit herausgelöst werden und auf den flüssigen Protonendonator übergehen. Bevorzugt kann Natrium im Rahmen des herbeigeführten Ionenaustausches aus der Blutflüssigkeit herausgelöst werden und durch die für Ionen permeable Membran hindurch als Austauschkation in den flüssigen Protonendonator übergehen. Die Diffusion von Natrium als Austauschion kann über einen entsprechenden Konzentrationsgradienten bezüglich dieses Stoffes zwischen der Blutflüssigkeit und dem flüssigen Protonendonator eingestellt werden. Insbesondere kann zu diesem Zweck der flüssige Protonendonator kein Natrium aufweisen.
Durch das Bereitstellen des dritten Kompartiments, welches von dem flüssigen Protonendonator durchströmt wird, wird folglich ein zusätzlicher Mechanismus bereitgestellt, mittels welchem zusätzlich Kohlenstoffdioxid aus dem Blut gelöst werden kann als im Rahmen der üblichen ECMO-Behandlung. Anders ausgedrückt kann so eine zusätzliche Kohlenstoffdioxid-Quelle in der Blutflüssigkeit „angezapft“ werden, wodurch die Kohlenstoffdioxid-Eliminierung effizienter/schneller abläuft. Dadurch ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer geringeren Menge Blut zu betreiben als es bei einer üblichen ECMO-Behandlung der Fall ist, sodass bereits ein kleiner Zugang ausreichend ist und kein großlumiges Gefäß zur Blutentnahme verwendet werden muss. So kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bereits eine ausreichende Entfernung von Kohlenstoffdioxid aus der Blutflüssigkeit bereitstellen bei einem Blutzugang, bei dem ca. 400 ml Blut pro Minute abgenommen werden. Zusätzlich ist von Vorteil, dass bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Beatmung protektiver, z.B. mit geringeren Beatmungsdrücken eingestellt werden kann, wodurch es zu weniger Lungenschäden kommt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass das zweite und dritte Kompartiment jeweils eine Mehrzahl von länglichen Strukturen aufweisen, beispielsweise eine Mehrzahl von hohen Kanälen, beispielsweise in Form von Hohlfasern. Durch eine lange Kompartimentlänge (und eine entsprechend eingestellte Durchströmungsgeschwindigkeit) kann das Anreichern der Blutflüssigkeit mit den Protonen des flüssigen Protonendonators langsam erfolgen, so dass ein pH-Schock vermieden werden kann. Entscheidend hierfür ist die Kontaktzeit zwischen den Substanzen im ersten und dritten Kompartiment.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Vorrichtung kann das zweite Kompartiment durch eine Mehrzahl von Leitungen, bevorzugt Hohlfasern, aus dem semipermeablen Material begrenzt sein bzw. diese aufweisen. Die Leitungen können beispielsweise im Wesentlichen aus einem Polyolefin gefertigt sein und beispielsweise Polymethylpenten (PMP) aufweisen. Die das zweite Kompartiment bildenden Leitungen können alle einen gemeinsamen Zufluss und Abfluss haben, welcher von den Zuflüssen und Abflüssen der anderen Kompartimente getrennt ist.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Vorrichtung kann das dritte Kompartiment durch eine Mehrzahl von Leitungen, bevorzugt Hohlfasern, aus dem für Ionen permeablen Material begrenzt sein bzw. diese aufweisen. Die Leitungen können aus einem Kunststoff gefertigt sein, welcher für Ionen, insbesondere für Wasserstoff-Kationen durchlässig ist. Die das dritte Kompartiment bildenden Leitungen können alle einen gemeinsamen Zufluss und Abfluss haben, welcher von den Zuflüssen und Abflüssen der anderen Kompartimente getrennt ist.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Vorrichtung kann die für Ionen permeable Membran einen Kationenleiter, beispielsweise Nafion, oder einen Kationen- und Anionenleiter aufweisen. Der Kationenleiter kann selektiv sein. Im Falle eines nicht selektiven Kationenleiters kann die Selektivität hinsichtlich seiner Permeabilität erreicht werden, indem für die Kationen, welche am lonenaustausch teilnehmen sollen (etwa H⁺ und Na⁺), ein Konzentrationsgradient zwischen der wässrigen Flüssigkeit und dem flüssigen Protonendonator herbeigeführt wird. Für diejenigen Kationen, welche nicht am lonenaustausch teilnehmen sollen (etwa die physiologisch relevanten K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ im Falle von Blut), wird hingegen eine Diffusion von der Blutflüssigkeit in den flüssigen Protonendonator vermieden, indem im Protonendonator mindestens die gleiche Konzentrationen dieser Ionen vorliegen wie in der Blutflüssigkeit. Bei der für Ionen permeablen Membran kann es sich auch um einen Kunststoff handeln der sowohl für Anionen als auch Kationen permeabel ist, also einen lonenleiter.
Der elektrische Austausch für die Verschiebung der Kationen des flüssigen Protonendonators (z.B. H⁺) könnte dann zusätzlich zur Verschiebung von Zielkationen aus der Blutflüssigkeit, z.B. Na⁺, auch durch eine Verschiebung von Anionen aus dem flüssigen Protonendonator erfolgen, etwa Cl^- im Falle von Salzsäure als flüssiger Protonendonator. Hierbei sollte aber bevorzugt gleichzeitig darauf geachtet werden, dass es nicht im Gegenzug zur ungewünschten Verschiebung von Anionen aus der Blutflüssigkeit zum flüssigen Protonendonator kommt.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Vorrichtung können die Leitungen des zweiten Kompartiments und die Leitungen des dritten Kompartiments, bis auf ihre Zu- und Abflüsse, im ersten Kompartiment enthalten sein. Dadurch kann die Oberfläche, welche für die Wechselwirkung zwischen den Substanzen des ersten und zweiten Kompartiments und zwischen den Substanzen des ersten und dritten Kompartiments zur Verfügung steht, maximiert werden. Durch die Trennung der Zu- und Abflüsse der Kompartimente kann in jedem von Ihnen die Durchflussrate sowie die Durchflussrichtung der entsprechenden Substanz individuell eingestellt werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Vorrichtung können die Leitungen des zweiten Kompartiments und die Leitungen des dritten Kompartiments stets durch ein Teilvolumen des ersten Kompartiments voneinander getrennt sein. Anders ausgedrückt sind die Leitungen des zweiten Kompartiments und die des dritten Kompartiments stets in einem Abstand zueinander angeordnet, sodass zwischen diesen Leitungen, die im ersten Kompartiment enthaltene Substanz hindurchströmen kann. Diese Ausbildung ist zweckmäßig, da die Substanz im ersten Kompartiment die Zielsubstanz für die Wechselwirkung mit den Substanzen im zweiten und dritten Kompartiment darstellt.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Vorrichtung kann das erste Kompartiment einen Zufluss und einen Abfluss aufweisen, um Blut durch das erste Kompartiment zu leiten, wobei der Zufluss und Abfluss derart angeordnet sind, dass im Betrieb der Vorrichtung ein Fluss der wässrigen Flüssigkeit durch das erste Kompartiment hindurch einstellbar ist. Der Zufluss und der Abfluss können zweckmäßigerweise auf gegenüberliegenden Seiten des Kompartiments angeordnet sein, so dass die wässrige Flüssigkeit im Wesentlichen das gesamte erste Kompartiment durchströmt (vertikal, horizontal oder schräg, bezogen auf die Wirkungsrichtung der Gravitation), um von dessen Zufluss zu dessen Abfluss zu gelangen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weitere fluidtechnische Elemente aufweisen, wie z.B. Durchflussbegrenzer, Heizer und dergleichen. Im Kreislauf, welcher durch das dritte Kompartiment zirkuliert, kann beispielsweise ein pH-Sensor angeordnet sein. Dadurch ein geschlossener Regelkreis bereitgestellt werden, in welchem der pH-Wert des flüssigen Protonendonators automatisch auf den pH-Wert des Blutes geregelt werden kann. Bei zu geringem pH-Wert des flüssigen Protonendonators kann beispielsweise dessen Durchflussgeschwindigkeit durch das dritte Kompartiment verlangsamt werden. Alternativ kann der pH-Sensor auch im ersten Kompartiment bereitgestellt sein, um direkt den pH-Wert der wässrigen Flüssigkeit zu messen.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ferner eine Zusammensetzung bereitgestellt, enthaltend einen flüssigen Protonendonator, der das dritte Kompartiment der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchströmt, zur Verwendung in einem Verfahren zur Behandlung bzw. Therapie von Hyperkapnie.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ferner eine Verwendung einer Zusammensetzung enthaltend einen flüssigen Protonendonator bereitgestellt, der das dritte Kompartiment der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchströmt, zur Behandlung von Hyperkapnie. Die Verwendung der Zusammensetzung kann zugleich beinhalten, dass das erste Kompartiment der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Blut durchströmt wird und das zweite Kompartiment der erfindungsgemäßen Vorrichtung von einem Spülgas durchströmt wird.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Zusammensetzung oder der erfindungsgemäßen Verwendung der Zusammensetzung kann der flüssige Protonendonator eine Säure, welche bevorzugt nicht toxisch ist, beispielsweise Salzsäure, oder eine saure Pufferlösung aufweisen. Die saure Pufferlösung kann relativ zum physiologischen pH-Wert von But, welcher beim Menschen zwischen 7,35 und 7,45 liegt, leicht übersäuert sein und beispielsweise einen pH-Wert im Bereich zwischen 6,5 und 7 aufweisen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Zusammensetzung oder der erfindungsgemäßen Verwendung der Zusammensetzung kann in dem flüssigen Protonendonator mindestens eine physiologisch relevante Metallkationenart in einer mindestens physiologischen Konzentration enthalten sein. Bevorzugt können in dem flüssigen Protonendonator mehrere oder im Wesentlichen alle physiologisch relevanten Metallkationen (K⁺, Ca²⁺ und Mg²⁺) mindestens in ihrer jeweiligen physiologischen Konzentration enthalten sein. Anders ausgedrückt können die physiologisch relevanten Metallkationen im flüssigen Protonendonator in der jeweils gleichen oder höheren Konzentration wie im Blutserum vorliegen. Dadurch kann verhindert werden, dass aufgrund eines Konzentrationsgradienten dem Blut die physiologisch relevanten Metallkationen entzogen werden und in das dritte Kompartiment diffundieren. Bevorzugt ist in dem flüssigen Protonendonator jedoch kein Natrium enthalten. Dadurch besteht im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Konzentrationsgradient zwischen dem ersten Kompartiment und dem dritten Kompartiment bezüglich Natrium, wodurch, wie bereits erläutert, eine Selektion hinsichtlich des Austauschions vorgenommen wird, welches im Gegenzug für das vom flüssigen Protonendonator gespendete Wasserstoffkation aus dem ersten Kompartiment in das dritte Kompartiment diffundiert.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zusammensetzung oder der erfindungsgemäßen Verwendung der Zusammensetzung kann die Hyperkapnie durch COPD (chronische obstruktive Lungenerkrankung), ARDS (akutes Lungenversagen), Asthma, Pneumonie oder Schlafapnoe bedingt sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Zusammensetzung oder der erfindungsgemäßen Verwendung der Zusammensetzung kann die Zusammensetzung ferner ein Spülgas aufweisen, welches das zweite Kompartiment einer hierin beschriebenen Vorrichtung durchströmt. Bei dem Spülgas kann es sich um das übliche bei einer ECMO-Behandlung verwendete Spülgas handeln.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Zusammensetzung oder der erfindungsgemäßen Verwendung der Zusammensetzung kann die Behandlung die folgenden Schritte umfassen: Bereitstellen einer Strömung der wässrigen Flüssigkeit durch das erste Kompartiment; Bereitstellen einer Strömung des Spülgases durch das zweite Kompartiment; und Bereitstellen einer Strömung des flüssigen Protonendonators durch das dritte Kompartiment.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen genauer erläutert.

1 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zum Entfernen eines Gases aus einer wässrigen Flüssigkeit gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
2 zeigt eine schematische Ansicht der drei Kompartimente und die ablaufenden chemischen Reaktionen im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
3A bis 3C zeigen mögliche Lagen der drei Kompartimente der erfindungsgemäßen Vorrichtung relativ zueinander.

In 1 ist ein schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Entfernen eines Gases aus einer wässrigen Flüssigkeit in einer Seitenansicht dargestellt. Bei der Darstellung liegt der Fokus auf dem Wechselwirkungsraum der Vorrichtung 1, also dem Bereich, in dem die Substanzen in den jeweiligen Kompartimenten miteinander in Wechselwirkung treten können; die übrigen fluidtechnischen Bestandteile (Leitungen, Pumpen, Sensoren usw.) sind weggelassen worden. Die Vorrichtung 1 weist ein erstes Kompartiment 2, ein zweites Kompartiment 3 und ein drittes Kompartiment 4 auf. Jedes der Kompartimente 2, 3, 4 weist jeweils zwei Anschlüsse auf: das erste Kompartiment 2 weist einen ersten Anschluss 21 und einen zweiten Anschluss 22 auf, dass zweite Kompartiment 3 weist einen dritten Anschluss 31 und einen vierten Anschluss 32 und das dritte Kompartiment 4 weist einen fünften Anschluss 41 und einen sechsten Anschluss 42 auf. Jeweils ein Anschluss jedes der Kompartimente 2, 3, 4 fungiert im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Zufluss und der entsprechend andere Anschluss fungiert als Abfluss, je nachdem, in welcher Richtung das entsprechende Kompartiment von der jeweiligen Substanz durchströmt werden soll. Zwischen jedem Anschlusspaar eines jeweiligen Kompartiments 2, 3, 4 kann beispielsweise eine Pumpe angeordnet sein, um einen Kreislauf der Substanz aufrecht zu erhalten.
Das erste Kompartiment 2, welches von der wässrigen Flüssigkeit durchströmt wird, kann eine beliebige Form, beispielsweise, wie in 1 gezeigt, eine zylindrische Form aufweisen. Nahe am Boden und nahe am Deckel eines Kompartiments kann jeweils ein Anschluss angebracht sein. Das zweite Kompartiment 3 weist eine Mehrzahl von ersten Leitungen 33 auf, bevorzugt Hohlfasern, welche eine Fluidverbindung zwischen dem dritten Anschluss 31 und dem vierten Anschluss 32 bereitstellen. Sowohl im oberen wie auch im unteren Bereich des Wechselwirkungsraumes der Vorrichtung 1 mündet der dritte Anschluss 31 und der vierte Anschluss 32 jeweils in ein Reservoir, was kein zwingendes Merkmal ist, wobei sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel jedes Reservoir über die gesamte Grundfläche des Wechselwirkungsraums erstreckt. Die ersten Leitungen 33 verbinden die beiden Reservoirs miteinander. In analoger Weise weist das dritte Kompartiment 4 eine Mehrzahl von zweiten Leitungen 43 auf, bevorzugt Hohlfasern, welche zwischen dem fünften Anschluss 41 und dem sechsten Anschluss 42 angeordnet sind. Sowohl im oberen wie auch im unteren Bereich des Wechselwirkungsraumes der Vorrichtung 1 mündet der fünfte Anschluss 41 und der sechste Anschluss 42 jeweils in ein Reservoir, wobei sich im gezeigten Ausführungsbeispiel jedes Reservoir über die gesamte Grundfläche des Wechselwirkungsraumes 1 erstreckt. Da die Reservoirs des zweiten Kompartiments 3 von außen betrachtet die Reservoirs des dritten Kompartiments 4 umschließen bzw. darüber und darunter angeordnet sind, verlaufen die ersten Leitungen 33 durch die Reservoirs des dritten Kompartiments 4. Dazu sind die zweiten Leitungen 43 des dritten Kompartiments 4 zweckmäßigerweise länger ausgeführt als die ersten Leitungen 33 des zweiten Kompartiments 3, da erstere noch durch die Reservoirs des dritten Kompartiments 4 verlaufen. Zur rechten Seite der Seitenansicht des Wechselwirkungsraumes der Vorrichtung 1 ist eine Querschnittsansicht Q im mittleren Bereich des Wechselwirkungsraumes in einer Draufsicht gezeigt. In der Querschnittsansicht Q sieht man, dass die ersten Leitungen 33 des zweiten Kompartiments 3 und die zweiten Leitungen 43 des dritten Kompartiments 4 jeweils in einem Abstand zueinander durch das erste Kompartiment 2 verlaufen. Zudem sind die ersten Leitungen 33 und die zweiten Leitungen 43 in einem Abstand zueinander im Volumen des ersten Kompartiments 2 angeordnet.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Anordnung bzw. Lage des zweiten Kompartiments 3 und des dritten Kompartiments 4, wie sie in 1 gezeigt ist, eine von vielen Anordnungsmöglichkeiten verkörpert. So kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Lage des zweiten und dritten Kompartiments 3, 4, wie in 1 dargestellt, gegeneinander vertauscht sein. Ferner kann generell in jedem der Kompartimente 2, 3, 4 die Durchflussrichtung (in 1 wäre das von oben nach unten oder von unten nach oben) der darin strömenden Substanz individuell und unabhängig von den jeweils anderen beiden Kompartimenten eingestellt werden. Die Anzahl und der Querschnitt der ersten Leitungen 33 und der zweiten Leitungen 43 kann nach Bedarf gewählt werden.
In 2 sind die im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ablaufenden chemischen Prozesse veranschaulicht, die zwischen dem ersten und zweiten Kompartiment 2, 3 und zwischen dem ersten und dritten Kompartiment 2, 4 ablaufen. Das erste Kompartiment 2 wird von der wässrigen Flüssigkeit, bevorzugt Blut, durchströmt, aus welcher ein Gas, bevorzugt Kohlenstoffdioxid, entfernt werden soll. In der Blutflüssigkeit ist physikalisch gelöstes Kohlenstoffdioxid enthalten. Zusätzlich befinden sich in der Blutflüssigkeit physiologisch relevante Metallkationen in ihrer jeweiligen physiologischen Konzentration. Diese Metallkationen sind in Bicarbonat-Verbindungen gebunden. Zugleich ist in den Bicarbonat-Verbindungen Kohlenstoffdioxid chemisch gebunden.
Durch das zweite Kompartiment 3 strömt das Spülgas, welches üblicherweise reinen Sauerstoff (O₂) enthält. Zwischen dem ersten Kompartiment 2 und dem dritten Kompartiment 3 ist die semipermeable Membran 5 angeordnet. Durch einen Konzentrationsgradienten zwischen dem ersten Kompartiment 2 und dem zweiten Kompartiment 3 bezüglich Kohlenstoffdioxid (CO₂) wird das im Blut 7 physikalisch gebundene Kohlenstoffdioxid herausgelöst und über die semipermeable Membran 5 diffundiert es in das zweite Kompartiment 3. Im Austausch dafür diffundiert Sauerstoff aus dem Spülgas über die semipermeable Membran 5 in die Blutflüssigkeit und wird darin von den Erythrozyten 7 aufgenommen. Dieser bereits aus der üblichen ECMO-Anwendung wohlbekannte Vorgang ist im ersten markierten Bereich 8 skizziert.
Das in den Bicarbonat-Verbindungen chemisch gebundene Kohlenstoffdioxid wird mithilfe des das dritte Kompartiment 4 durchströmenden flüssigen Protonensenators aus den Bicarbonat-Verbindungen herausgelöst. Durch die zwischen dem ersten Kompartiment 2 und dem dritten Kompartiment 4 angeordnete für Ionen permeable Membran 6 findet ein Kationaustausch statt, welcher in dem zweiten markierten Bereich 9 skizziert ist. Auch dieser Vorgang wird durch einen Konzentrationsgradienten bezüglich eines Austauschions induziert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Oxygenierung von Blut handelt es sich bei dem Austauschion um Natrium (Na⁺), welches im gezeigten Beispiel das Zielaustauschion darstellt. Das Natrium diffundiert durch die für Ionen permeabel Membran 6 in das (natriumarme) dritte Kompartiment 4. Im Gegenzug dafür diffundieren im flüssigen Protonendonator enthaltene Wasserstoffkationen aus dem dritten Kompartiment 4 in das erste Kompartiment 2. Das Wasserstoffkation bindet an das Bicarbonat (HCO^- ₃), wodurch es zur Bildung von Kohlensäure (H₂CO₃) kommt, welche jedoch instabil ist und letztlich relativ schnell zu Wasser (H₂O) und Kohlendioxid zerfällt. Das so freigewordene Kohlenstoffdioxid-Molekül wandert analog zu den physikalisch gelösten Kohlenstoffdioxid-Molekülen über die semipermeable Membran 5 in das zweite Kompartiment 3. Der flüssige Protonendonator im dritten Kompartiment 4 dient damit zur Freisetzung des chemisch gebundenen Kohlenstoffdioxids, während der Abtransport des so freigesetzten Kohlenstoffdioxids aus der Blutflüssigkeit nach wie vor mittels des das zweite Kompartiment 3 durchströmenden Spülgases erfolgt.
Generell gibt es für die Ausgestaltung des Wechselwirkungsraums zwischen den drei Substanzen, insbesondere für die räumliche Anordnung der ersten Leitungen 33 des zweiten Kompartiments 3 und der zweiten Leitungen 43 des dritten Kompartiments 4 relativ zueinander und innerhalb des ersten Kompartiments 2 viele unterschiedliche Möglichkeiten. Drei grundlegende Ausgestaltungen sind in den 3A bis 3C skizziert. In den Figuren repräsentiert jeweils ein Balken ein Kompartiment im Wechselwirkungsbereich der Vorrichtung 1 und ist entsprechend mit dem Bezugszeichen des jeweiligen Kompartiments versehen. Die Längsausdehnung jedes Balkens definiert zugleich die Achse, entlang welcher das jeweilige Kompartiment von der dazugehörigen Substanz durchströmt wird. Demnach ergeben sich pro Kompartiment 2, 3, 4 grundlegend zwei Durchströmungsrichtungen.
Die in 3A skizzierte Ausgestaltung entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, bei der die Leitungen des zweiten Kompartiments 3 und des dritten Kompartiments 4 parallel zueinander ausgerichtet sind und die Strömungsrichtungen der Substanzen durch alle drei Kompartimente 2,3, 4 parallel zueinander ausgerichtet sind. Die tatsächliche Strömungsrichtung der Substanz durch ein jeweiliges Kompartiment kann, unabhängig von den Strömungsrichtungen in den anderen beiden Kompartimenten, von oben nach unten oder von unten nach oben erfolgen. Die in 3A skizzierte Lage der Kompartimente 2,3, 4 im Wechselwirkungsbereich 1 r dient nur der Darstellung der relativen Anordnung der Durchflussrichtungen durch die Kompartimente relativ zueinander, so dass insbesondere die Anzahl der dargestellten Balken nicht der Anzahl der zu einem Kompartiment dazugehörigen Leitungen entspricht. Die Anzahl und die Anordnung der das zweite Kompartiment 3 und das dritte Kompartiment 4 bildenden Hohlkanäle relativ zueinander kann vielfältig ausgestaltet werden. Ein Beispiel hierfür ist in der Querschnittsansicht Q in 1 dargestellt, wo zu sehen ist, dass die ersten Leitungen 33 ein hexagonales Gitter bilden und die zweiten Leitungen 43 in den mitten der Hexagone angeordnet sind (bis auf die randseitig angeordneten zweiten Leitungen 43). Ferner können die Leitungen des zweiten Kompartiments 3 und des dritten Kompartiments 4 in alternierenden Reihen hintereinander bzw. nebeneinander oder in sonstigen geometrischen Mustern angeordnet werden.
Gemäß der in 3B dargestellten Anordnung der Kompartimente 2, 3,4 relativ zueinander ist die Durchflussrichtung der wässrigen Flüssigkeit durch das erste Kompartiment 2 senkrecht zu den Durchflussrichtungen der Substanzen durch das zweite Kompartiment 3 und durch das dritte Kompartiment 4. Grundsätzlich kann die Anordnung der Leitungen des zweiten Kompartiments 3 und des vierten Kompartiments 4 relativ zueinander einer der Anordnungen entsprechen, welche in Bezug auf die 3A erwähnt worden sind.
Schließlich ist in 3C eine weitere mögliche Ausgestaltung des Wechselwirkungsraums der Vorrichtung dargestellt, bei welcher die Durchflussrichtungen durch das zweite Kompartiment 3 und durch das dritte Kompartiment 4 senkrecht zur Durchflussrichtung durch das erste Kompartiment 2 sind. In Abwandlung zu der in 3B dargestellten Ausgestaltung sind jedoch zusätzlich die Hohlkanäle des zweiten Kompartiments 3 unter einem Winkel a zu den Hohlkanälen des ersten Kompartiments 2 angeordnet, so dass entsprechend die Durchflussrichtungen ebenfalls unter dem Winkel a relativ zueinander angeordnet sind. Der Winkel a kann beispielsweise bevorzugt 90° entsprechen. Die Leitungen des zweiten Kompartiments 3 und die zweiten Leitungen des dritten Kompartiments 4 können dabei im Wesentlichen eine rechteckige bzw. quadratische Gitterstruktur ausbilden (aus Sicht der das erste Kompartiment 2 durchströmenden wässrigen Flüssigkeit), dessen Zwischenräume von der wässrigen Flüssigkeit durchströmt werden. Die Gitterstruktur kann derart ausgestaltet sein, dass sich die Leitungen des zweiten Kompartiments 3 und die Leitungen des dritten Kompartiments 4 berühren und somit Kreuzungspunkte der gitterartigen Struktur ausbilden. Alternativ können die Leitungen des zweiten Kompartiments 3 und die Leitungen des dritten Kompartiments 4 senkrecht zueinander in Reihen angeordnet sein, wobei die Reihen einen Abstand zueinander aufweisen.

Claims

Vorrichtung zum Entfernen eines Gases aus einer wässrigen Flüssigkeit, aufweisend: ein erstes Kompartiment, welches im Betrieb der Vorrichtung von der wässrigen Flüssigkeit durchströmt wird; ein zweites Kompartiment, welches im Betrieb der Vorrichtung von einem Spülgas durchströmt wird, wobei das erste Kompartiment und das zweite Kompartiment durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind; und ein drittes Kompartiment, welches im Betrieb der Vorrichtung von einem flüssigen Protonendonator durchströmt wird, wobei das erste Kompartiment und das dritte Kompartiment durch eine für Ionen permeable Membran voneinander getrennt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die wässrige Flüssigkeit eine Blutflüssigkeit ist, vorzugsweise Blut ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das zweite Kompartiment eine Mehrzahl von Leitungen, bevorzugt Hohlfasern, aus dem semipermeablen Material aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das dritte Kompartiment eine Mehrzahl von Leitungen, bevorzugt Hohlfasern, aus der für Ionen permeablen Membran aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die für Ionen permeable Membran einen Kationenleiter oder einen Kationen- und Anionenleiter aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, sofern auf die Ansprüche 3 und 4 rückbezogen, wobei die Leitungen des zweiten Kompartiments und die Leitungen des dritten Kompartiments, bis auf ihre Zu- und Abflüsse, im ersten Kompartiment enthalten sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, sofern auf die Ansprüche 3 und 4 rückbezogen, wobei die Leitungen des zweiten Kompartiments und die Leitungen des dritten Kompartiments stets durch ein Teilvolumen des ersten Kompartiments voneinander getrennt sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das erste Kompartiment einen Zufluss und einen Abfluss aufweist, um die wässrige Flüssigkeit durch das erste Kompartiment zu leiten, wobei der Zufluss und Abfluss derart angeordnet sind, dass im Betrieb der Vorrichtung ein Blutfluss durch das erste Kompartiment hindurch einstellbar ist.
Zusammensetzung, enthaltend einen flüssigen Protonendonator, der das dritte Kompartiment einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchströmt, zur Verwendung in einem Verfahren zur Behandlung von Hyperkapnie.
Verwendung einer Zusammensetzung, enthaltend einen flüssigen Protonendonator, der das dritte Kompartiment einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchströmt, zur Behandlung von Hyperkapnie.
Zusammensetzung gemäß Anspruch 9 oder Verwendung gemäß Anspruch 10, wobei der flüssige Protonendonator eine Säure, welche bevorzugt nicht toxisch ist, oder eine saure Pufferlösung aufweist.
Zusammensetzung gemäß Anspruch 9 oder 11 oder Verwendung gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei in dem flüssigen Protonendonator mindestens eine physiologisch relevante Metallkationenart in einer mindestens physiologischen Konzentration enthalten ist; und wobei in dem flüssigen Protonendonator bevorzugt kein Natrium enthalten ist.
Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 9, 11 oder 12 oder Verwendung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Zusammensetzung ferner ein Spülgas aufweist, welches das zweite Kompartiment der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchströmt.
Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 9, 11 bis 13 oder Verwendung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Behandlung die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Strömung der wässrigen Flüssigkeit durch das erste Kompartiment; Bereitstellen einer Strömung des Spülgases durch das zweite Kompartiment; Bereitstellen einer Strömung des flüssigen Protonendonators durch das dritte Kompartiment.